[論文レビュー] Cosmological Constraint on the Effective Number of Neutrino Species

Kazuhide Ichikawa|ArXiv.org|Jun 23, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、WMAP3年間CMBデータとSDSS Luminous Red Galaxy (LRG) 力学的スペクトルを用いて、効果的ニュートリノ種数 $N_\nu$ を制約し、95%信頼区間で $N_\nu = 3.1^{+5.1}_{-2.2}$ を得た。この結果は $N\_\nu > 3$ を支持し、再加熱温度 $T_R > 2$ MeV を示唆する。また、ビッグバン核合成以降で構造形成以前に $N_\nu$ を増加させる崩壊する粒子を含むモデルの動機づけにもなる。

ABSTRACT

We discuss constraints on the effective number of neutrino species Nnu from recent cosmological observations such as CMB, LSS, BBN, including our own analysis which uses the WMAP and the Luminous Red Galaxy power spectrum data. We also discuss their implications on some non-standard cosmological scenarios such as the low (MeV-scale) reheating temperature scenario and the scenario with decaying particles between BBN and structure formation.

研究の動機と目的

• 宇宙論的観測、特にCMBおよび大規模構造データを用いて、効果的ニュートリノ種数 $N_\nu$ を制約すること。
• Ly$\alpha$フォレストが $N_\nu > 3$ を支持する一方で、BBNや一部の銀河スライス調査が $N_\nu \approx 3$ を好むという、異なるデータセット間の不一致を解消すること。
• 構造形成期に $N_\nu$ が高くなる可能性がある非標準的宇宙論的シナリオ（低再加熱温度や崩壊する粒子など）を探索すること。
• ビッグバン核合成（BBN）と弱レンズ効果観測などの独立したプローブと $N_\nu > 3$ が整合するかを評価すること。
• $N_\nu$ と再加熱温度 $T_R$ や粒子崩壊寿命といった物理的パラメータとの間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• WMAP3年間CMB尤度コードとSDSS LRG銀河力学的スペクトル尤度を用いて、宇宙論的モデルの $\chi^2$ を計算する。
• CMBFASTコードを用いて、6つの宇宙論的パラメータを持つ平坦な $\Lambda$CDMモデルにおける理論的CMBおよび物質力学的スペクトルを計算する。
• LRG力学的スペクトルにおける非線形効果および波数依存性バイアスを、2つのパラメータ（銀河バイアス $b$ と非線形補正係数 $Q_{\rm nl}$）を用いてモデル化する。
• WMAP3とSDSS LRGデータを統合した尤度解析を実施し、他の宇宙論的パラメータを周辺化することで $N_\nu$ を制約する。
• 素粒子物理学モデルからの $N_\nu$–$T_R$ 関係を用いて、$N_\nu$ の制約を再加熱温度 $T_R$ の下限に変換する。
• BBN以降で構造形成以前に $N_\nu$ を増加させる崩壊粒子モデル（例：サキシオン、グラビティーノ、右手スネュートリノ）の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WMAP3 CMBとSDSS LRG銀河力学的スペクトルデータを統合した場合、$N_\nu$ に対する制約は何か？
• RQ2 Ly$\alpha$データが示す $N_\nu > 3$ の傾向は、$^4$He やDの同位体比から得られるBBN制約とどのように対比されるか？
• RQ3 構造形成期に $N_\nu$ が高くなることは、BBN期には $N_\nu \approx 3$ であるという制約と整合するか？ その整合性は、後期の粒子崩壊によって達成可能か？
• RQ4 $N_\nu > 3$ の制約から、再加熱温度 $T_R$ に下限はどの程度導かれるか？
• RQ5 超対称性の崩壊など、観測結果と矛盾しない粒子物理学的モデル（例：スネュートリノの崩壊）は存在するか？

主な発見

• WMAP3とSDSS LRGデータの統合解析により、95%信頼区間で $N_\nu = 3.1^{+5.1}_{-2.2}$ を得た。下限は $N_\nu > 0.9$ である。
• この制約は、再加熱温度 $T_R > 2$ MeV の下限を示唆し、非標準的熱的歴史のシナリオと整合的である。
• 上側制約は弱く（95%信頼区間で $N_\nu < 8.2$）、Ly$\alpha$データが示唆する $N_\nu > 3$ の可能性を残している。
• 弱レンズ効果観測から得られる高い $\sigma_8$ 値（例：Ly$\alpha$データと併用した場合の $\sigma_8 = 0.87 \pm 0.05$）とも整合的である。
• 崩壊する粒子（例：サキシオン、グラビティーノ、右手スネュートリノ）を含むモデルは、$10^8$ 秒のスケールで $\Delta N_\nu \sim 1$ を生成でき、$N_\nu > 3$ をBBN制約と調和させることができる。
• Ly$\alpha$と2dF/SDSSメインサンプルの結果の不一致は、波数依存性バイアスに起因する可能性があるが、より高い有効体積を持つLRGデータは、より強い制約を与える。